Pierwsza zasada dynamiki Newtona (bezwładność)

Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że jeśli wypadkowa siła zewnętrzna działająca na ciało jest równa zeru, to jego prędkość pozostaje stała. Oznacza to, że ciało albo pozostaje w spoczynku, albo porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej.

To stwierdzenie obowiązuje w inercjalnym układzie odniesienia, czyli w układzie, który nie porusza się z przyspieszeniem. Prawo to nazywa się też zasadą bezwładności, ponieważ bezwładność to skłonność materii do przeciwstawiania się zmianom prędkości.

Pierwsza zasada dynamiki Newtona w jednym zdaniu

W inercjalnym układzie odniesienia

$$\sum \vec{F}_{\text{ext}} = 0 \Rightarrow \vec{v} = \text{constant}$$

Słowo „stała” ma tu znaczenie. Stała prędkość może być równa zeru, co oznacza spoczynek, albo może oznaczać dowolny jednostajny ruch po linii prostej.

Co oznacza bezwładność prostym językiem

Czasem mówi się, że poruszające się obiekty „chcą się dalej poruszać”. To jest bliskie prawdy, ale niepełne. Dokładniej chodzi o to, że obiekty nie zmieniają prędkości, dopóki nie zadziała na nie wypadkowa siła zewnętrzna.

Prędkość obejmuje zarówno wartość, jak i kierunek. Dlatego skręcanie też jest zmianą prędkości, nawet jeśli szybkość pozostaje taka sama. Jeśli kierunek się zmienia, to wypadkowa siła zewnętrzna nie jest równa zeru.

Przykład: krążek ślizgający się po gładkim lodzie

Załóżmy, że krążek hokejowy już ślizga się na wschód z prędkością $3\ \mathrm{m/s}$. Gdy kij przestaje go dotykać, wyobraź sobie, że lód jest na tyle gładki, że przez kilka następnych sekund tarcie można pominąć.

Wtedy wypadkowa siła zewnętrzna jest w przybliżeniu równa zeru, więc pierwsza zasada dynamiki Newtona przewiduje, że krążek będzie dalej poruszał się na wschód z prędkością około $3\ \mathrm{m/s}$ po linii prostej.

Jeśli krążek zwalnia, to znaczy, że wypadkowa siła zewnętrzna w rzeczywistości nie była równa zeru. Na prawdziwym lodzie tarcie i opór powietrza zwykle trochę zmniejszają prędkość, więc przewidywanie stałej prędkości jest poprawne tylko na tyle, na ile dobre jest to przybliżenie.

To najważniejszy nawyk, który warto wyrobić: najpierw zapytaj, czy wypadkowa siła zewnętrzna jest równa zeru. Jeśli tak, oczekuj stałej prędkości. Jeśli prędkość zmienia wartość lub kierunek, wypadkowa siła zewnętrzna nie może być równa zeru.

Częste błędy związane z pierwszą zasadą dynamiki Newtona

• Myślenie, że do utrzymania ruchu ze stałą prędkością potrzebna jest siła. Wypadkowa siła jest potrzebna do zmiany prędkości, a nie do jej utrzymania.
• Traktowanie „zerowej siły” jako tego samego co „brak ruchu”. Zerowa wypadkowa siła może też oznaczać ruch jednostajny.
• Zapominanie, że skręt zmienia prędkość. Ruch po okręgu nie jest przykładem pierwszej zasady dynamiki Newtona, ponieważ kierunek cały czas się zmienia.
• Nazywanie bezwładności pchnięciem lub ciągnięciem. Bezwładność jest właściwością materii, a nie dodatkową siłą.

Kiedy stosuje się pierwszą zasadę dynamiki Newtona

Pierwsza zasada dynamiki Newtona jest punktem wyjścia do analizy sił. Zanim cokolwiek obliczysz, pytasz, czy ruch wskazuje na zerową wypadkową siłę, czy na niezerową wypadkową siłę.

Wyjaśnia też, dlaczego pasy bezpieczeństwa są ważne. Gdy samochód nagle się zatrzymuje, twoje ciało ma tendencję do zachowania wcześniejszej prędkości. Pas dostarcza siły zewnętrznej, która bezpiecznie zmienia ten ruch.

W fizyce na poziomie podstawowym prawo to służy też do uzasadniania prostych modeli. Na przykład poziomy ruch pocisku często traktuje się jako ruch ze stałą prędkością, gdy pomija się opór powietrza, ponieważ wtedy przyjmuje się, że pozioma wypadkowa siła jest równa zeru.

Spróbuj podobnego przypadku

Przeanalizuj własną wersję jednej codziennej sytuacji: książka leżąca na stole, krążek sunący po uderzeniu albo pasażer szarpnięty do przodu, gdy samochód hamuje. Zacznij od jednego pytania: czy wypadkowa siła zewnętrzna jest równa zeru? Ta kontrola zwykle pozwala stwierdzić, czy pierwsza zasada dynamiki Newtona ma tu bezpośrednie zastosowanie, czy trzeba przejść do drugiej zasady dynamiki Newtona.